DE1267162B

DE1267162B - Verfahren zum Herstellen von Verbundkoerpern

Info

Publication number: DE1267162B
Application number: DE1965F0046625
Authority: DE
Inventors: Dr Walther Dawihl; Dr Rer Nat Erhard Doerre; Dr Phil Emil A Klingler
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1965-07-16
Filing date: 1965-07-16
Publication date: 1968-04-25

Description

Verfahren zum Herstellen von Verbundkörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundes von Formkörpern aus Aluminiumoxid mit Metallen der Eisengruppe.
Formkörper aus reinem Aluminiumoxid haben sich ihrer guten Eigenschaften, insbesondere wegen ihrer hohen Warmfestigkeit und Beständigkeit gegenüber Verschleiß hervorragend bewährt. Für viele Anwendungszwecke ist eine Verbindung dieser Formkörper mit Metallen erforderlich.
Eine direkte Verbindung des Metalls mit Aluminiumoxid hat sich bisher deshalb nicht zufriedenstellend herstellen lassen, weil sich zwischen Metall und Aluminiumoxid sehr große Benetzungswinkel und daraus resultierend entsprechend hohe Grenzflächenenergien ergeben, so daß der Verbund nicht fest genug ist. Eine Verbindung zwischen Metall und Aluminiumoxid ist deshalb bisher im allgemeinen mit Hilfe von Metallisierungsschichten und Loten durchgeführt worden. Da die Schmelzpunkte dieser Lote zum Teil erheblich unter 1000° C liegen, ist der Anwendungsbereich solcher Aluminiumoxid-Metall-Verbindungen bisher leider auf verhältnismäßig niedere Temperaturen beschränkt gewesen. Erschwerend kommt hinzu, daß bei dem Metallisierungsverfahren übergangsschichten gebildet werden, die während der Gebrauchsdauer Alterungserscheinungen, beispielsweise durch Verspröden oder durch Bildung poröser Stellen zeigen. Außerdem werden die Eigenschaften, die Formkörper aus hochreinem Aluminiumoxid zeigen, durch die Metallisierungsschicht gerade in den besonders beanspruchten Randzonen nachteilig beeinflußt. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß entgegen der bisherigen Auffassung ein sehr fester Verbund zwischen einem Formkörper aus Aluminiumoxid und Metallen der Eisengruppe dadurch hergestellt werden kann, daß Aluminiumoxid-Formkörper großer Reinheit und Metallteile bei Temperaturen oberhalb 500° C und Drücken oberhalb der Fließgrenze der Metalle bei der betreffenden Temperatur in nichtoxydierender Atmosphäre verschweißt werden.
Als Aluminiumoxid-Formkörper großer Reinheit kommen natürliche Korunde wie Saphire und Rubine oder geschmolzenes Aluminiumoxid in einkristalliner Form in Betracht, ganz besonders aber bei hoher Temperatur aus hochreinem Aluminiumoxidpulver gesinterte Produkte. Diese Aluminiumoxid-Formkörper bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxid mit einem Gehalt von mehr als 99 % A1203, für einen besonders festen Verbund zweckmäßig sogar von mehr als 99,9%, dem bei Sinterprodukten zur Steuerung des Kornwachstums vorteilhaft ungefähr 0,25 Gewichtsprozent Magnesiumoxid zugesetzt sind. Die Reinheit der Aluminiumoxid-Formkörper ist aus bisher noch nicht restlos abgeklärten Gründen von erheblicher Bedeutung für die überraschend hohen Festigkeitswerte des Verbundes zwischen Aluminiumoxid und Metall.
Beispielsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so vorgegangen, daß zwei Zylinderkörper, die aus Aluminiumoxidpulver mit einem A1203 Gehalt von über 99 % und 0,25 Gewichtsprozent Magnesiumoxid geformt und durch einen Sintervorgang bei Temperaturen über l.800° C dicht gebrannt worden sind, so aufeinandergelegt werden, daß sich zwischen zwei Stirnflächen eine 3 mm dicke Scheibe von reinem Eisen befindet. Die so aufeinanderliegenden und zu verbindenden drei Teile werden bei einem Druck von 1 kp/mm2 während einer Stunde in reduzierender Atmosphäre oder im Hochvakuum auf 1200° C erhitzt. Dabei entsteht eine mechanisch so feste Verschweißung zwischen dem Sinterkörper aus Aluminiumoxid und der dazwischen befindlichen Eisenschicht, daß der Verbundkörper eine Biegefestigkeit von 15 kp/mm2 aufweist und der Bruch nicht an der Grenzfläche Eisen-Aluminiumoxid, sondern im Aluminiumoxidkörper selbst erfolgt und ein annähernd halbkugelförmiger Teil des Aluminiumoxidkörpers an dem Eisen haftenbleibt. Die Haftfestigkeit zwischen dem Aluminiumoxidkörper und dem Eisen ist also noch größer, als das der genannte Spannungswert angibt.
Der erfindungsgemäß hergestellte Verbund kann bei Temperaturen eingesetzt werden, die wesentlich oberhalb 1000° C liegen, so daß sich dadurch gänzlich neue Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind thermisch hochbelastbare Keramik-Metall-Verbindungen für Elektronik, Kerntechnik und Raumfahrt. So hergestellte Verbundkörper sind beispielsweise bevorzugt geeignet als hochwarmfeste Kondensatoren, indem eine größere Anzahl scheiben- oder ringförmiger Aluminiumoxid-Sinterformkörper mit der entsprechenden Anzahl dazwischengelegter Eisenscheiben oder Eisenringe zu einem vielschichtigen Verbundkörper verschweißt wird. Das Verfahren ermöglicht es auch, sehr dünne Zwischenschichten aus Eisenmetallen mit Aluminiumoxid-Formkörpern zu verbinden. Verbundkörper mit so dünnen Zwischenschichten haben eine besonders hohe Warmfestigkeit, da das Metall durch die A1203 Formkörper in seinem Verformungsverhalten stark eingeschränkt wird.
Die Festigkeit und der Verbund zwischen Metallen der Eisengruppe und Aluminiumoxid-Forrnkörpern läßt sich noch dadurch weiter erhöhen, daß die zu verbindenden Oberflächen uneben ausgestaltet sind. So kann beispielsweise ein Aluminiumoxid-Formkörper an seiner Stirnfläche kegelförmig ausgestaltet und der Gegenkörper mit einer entsprechenden kegelförmigen Vertiefung ausgestattet sein und das Metall dieser besonderen Ausgestaltung der Aluminiumoxid-Formkörper angepaßt werden.
An Stelle der reinen Metalle der Eisengruppe, unter denen man die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt versteht, können selbstverständlich auch Legierungen dieser Metalle untereinander für das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden.

Claims

Patentanspruch: Verfahren zum Herstellen eines Verbundes von Formkörpern aus Aluminiumoxid und Metallen der Eisengruppe, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxid-Formkörper großer Reinheit und Metallteile bei Temperaturen oberhalb 500° C und Drücken oberhalb der Fließgrenze der Metalle bei der betreffenden Temperatur in nicht oxydierender Atmosphäre verschweißt werden.